Definition av den andra joniseringsenergin

Den andra joniseringsenergin definieras med ekvationen:

Det är den energi som behövs för att avlägsna en andra elektron från varje jon i 1 mol gasformiga 1+-joner för att ge gasformiga 2+-joner.

Fler joniseringsenergier

Det går då att ha lika många på varandra följande joniseringsenergier som det finns elektroner i den ursprungliga atomen.

De fyra första joniseringsenergierna för aluminium, till exempel, ges av

		1st I.E. = 577 kJ mol-1
		2:a I.E. = 1820 kJ mol-1
		3rd I.E. = 2740 kJ mol-1
		4th I.E. = 11600 kJ mol-1

För att bilda en Al3+(g)-jon från Al(g) måste man tillföra:

577 + 1820 + 2740 = 5137 kJ mol-1

Det är mycket energi. Varför bildar då aluminium Al3+-joner?

Det kan bara bilda dem om det kan få tillbaka den energin någonstans ifrån, och om det är möjligt beror på vad det reagerar med.

Om aluminium till exempel reagerar med fluor eller syre kan det återvinna den energin i olika förändringar som involverar fluor eller syre – och därför innehåller aluminiumfluorid eller aluminiumoxid Al3+-joner.

Om det reagerar med klor kan det inte återvinna tillräckligt med energi, och därför är fast vattenfri aluminiumklorid egentligen inte jonisk – i stället bildar den kovalenta bindningar.

Varför bildar inte aluminium en Al4+-jon? Den fjärde joniseringsenergin är enorm jämfört med de tre första, och det finns ingenting som aluminium kan reagera med som skulle göra det möjligt för det att återvinna den mängden extra energi.

Varför blir de på varandra följande joniseringsenergierna större?

När man har tagit bort den första elektronen har man en positiv jon kvar. Att försöka ta bort en negativ elektron från en positiv jon kommer att vara svårare än att ta bort den från en atom. Att ta bort en elektron från en 2+ eller 3+ (etc.) jon blir gradvis svårare.

Varför är den fjärde joniseringsenergin för aluminium så stor?

Aluminiums elektroniska struktur är 1s22s22p63s23px1. De tre första elektronerna som avlägsnas är de tre elektronerna i 3p- och 3s-orbitalerna. När de har försvunnit avlägsnas den fjärde elektronen från 2p-nivån – mycket närmare kärnan och endast avskärmad av 1s2-elektronerna (och i viss mån 2s2-elektronerna).

Användning av joniseringsenergier för att ta reda på vilken grupp ett grundämne ingår i

Detta stora språng mellan två på varandra följande joniseringsenergier är typiskt för att plötsligt bryta in på en inre nivå. Du kan använda detta för att räkna ut vilken grupp i det periodiska systemet ett grundämne befinner sig i utifrån dess på varandra följande joniseringsenergier.

Magnesium (1s22s22p63s2) befinner sig i grupp 2 i det periodiska systemet och har på varandra följande joniseringsenergier:

Här sker det stora hoppet efter den andra joniseringsenergin. Det betyder att det finns två elektroner som är relativt lätta att ta bort (3s2-elektronerna), medan den tredje är mycket svårare (eftersom den kommer från en inre nivå – närmare kärnan och med mindre avskärmning).

Silikon (1s22s22p63s23px13py1) ligger i grupp 4 i det periodiska systemet och har på varandra följande joniseringsenergier:

Här kommer det stora hoppet efter att den fjärde elektronen har tagits bort. De fyra första elektronerna kommer från orbitaler på 3-nivå, den femte från 2-nivån.

Lärdomen av allt detta:

Räkna de enkla elektronerna – de som kommer fram till (men inte inklusive) det stora hoppet. Det är detsamma som gruppnumret.

Ett annat exempel:

Beslut vilken grupp en atom tillhör om den har successiva joniseringsenergier:

Ioniseringsenergierna går upp en eller två tusen i taget för de första fem. Sedan sker ett enormt hopp på cirka 15000. Det finns 5 relativt enkla elektroner – så grundämnet är i grupp 5.

Utforska mönstren mer i detalj

Om man plottar grafer över successiva joniseringsenergier för ett visst grundämne kan man se fluktuationerna i det som orsakas av att de olika elektronerna tas bort.

Man kan inte bara se de stora hoppen i joniseringsenergin när en elektron kommer från en inre nivå, utan man kan också se de mindre fluktuationerna inom en nivå beroende på om elektronen kommer från en s- eller p-orbital, och även om den är parad eller oparad i den orbitalen.

Klor har elektronstrukturen 1s22s22p63s23px23py23pz1.

Denna graf visar de åtta första joniseringsenergierna för klor. De gröna etiketterna visar vilken elektron som avlägsnas för varje joniseringsenergi.

Om du sätter en linjal på den första och andra punkten för att fastställa trenden kommer du att upptäcka att den tredje, fjärde och femte punkten ligger över det värde du skulle förvänta dig. Det beror på att de två första elektronerna kommer från par i 3p-nivåerna och därför är något lättare att avlägsna än om de var oparade.

Också om du sätter en linjal på den tredje, fjärde och femte punkten för att fastställa trenden kommer du att upptäcka att den sjätte och sjunde punkten ligger långt över de värden som du skulle förvänta dig vid en fortsättning av trenden. Det beror på att de 6:e och 7:e elektronerna kommer från 3s nivån – något närmare kärnan och något mindre väl avskärmad.

Det massiva språnget när man bryter in i den inre nivån vid den 8:e elektronen är ganska uppenbart!